1. Кіріспе
Радиожиілік (RF) энергияны жинау (RFEH) және радиациялық сымсыз қуат беру (WPT) батареясыз тұрақты сымсыз желілерге қол жеткізу әдістері ретінде үлкен қызығушылық тудырды. Ректенналар WPT және RFEH жүйелерінің негізі болып табылады және жүктемеге берілетін тұрақты ток қуатына айтарлықтай әсер етеді. Ректеннаның антенна элементтері жинау тиімділігіне тікелей әсер етеді, ол жиналған қуатты бірнеше реттік деңгейге өзгерте алады. Бұл құжат WPT және қоршаған RFEH қолданбаларында қолданылатын антенна конструкцияларын қарастырады. Мәлімделген тіктенналар екі негізгі критерий бойынша жіктеледі: антеннаны түзететін кедергі өткізу қабілеттілігі және антеннаның радиациялық сипаттамалары. Әрбір критерий үшін әртүрлі өтінімдер үшін лайықты көрсеткіш (FoM) анықталады және салыстырмалы түрде қаралады.
WPT мыңдаған ат күшін беру әдісі ретінде 20 ғасырдың басында Тесла ұсынған. Радиожиілік қуатын жинау үшін түзеткішке қосылған антеннаны сипаттайтын ректенна термині 1950 жылдары ғарыштық микротолқынды электр энергиясын беру қолданбалары мен автономды дрондарды қуаттандыру үшін пайда болды. Көп бағытты, ұзақ қашықтықтағы WPT таралу ортасының (ауаның) физикалық қасиеттерімен шектеледі. Сондықтан коммерциялық WPT негізінен сымсыз тұтыну электроникасын зарядтау немесе RFID үшін жақын өрістегі радиациялық емес қуатты тасымалдаумен шектеледі.
Жартылай өткізгішті құрылғылар мен сымсыз сенсорлық түйіндердің қуат тұтынуы төмендей берген сайын, сенсор түйіндерін қоршаған орта RFEH немесе таратылған төмен қуатты көп бағытты таратқыштарды пайдалану арқылы қуаттандыру мүмкін болады. Ультра төмен қуатты сымсыз қуат жүйелері әдетте РЖ қабылдаудың алдыңғы бөлігінен, тұрақты ток қуатын және жадты басқарудан және қуатты аз микропроцессор мен трансиверден тұрады.
1-суретте RFEH сымсыз түйінінің архитектурасы және жиі хабарланған РЖ фронтальды іске асырулары көрсетілген. Сымсыз қуат жүйесінің түпкілікті тиімділігі және синхрондалған сымсыз ақпарат пен қуат беру желісінің архитектурасы антенналар, түзеткіштер және қуатты басқару схемалары сияқты жеке құрамдастардың өнімділігіне байланысты. Жүйенің әртүрлі бөліктері үшін бірнеше әдебиеттік зерттеулер жүргізілді. 1-кесте қуатты түрлендіру кезеңін, қуатты тиімді түрлендіруге арналған негізгі құрамдас бөліктерді және әрбір бөлікке қатысты әдебиеттік зерттеулерді қорытындылайды. Соңғы әдебиеттер қуатты түрлендіру технологиясына, түзеткіш топологияларына немесе желіге қатысты RFEH-ке бағытталған.
1-сурет
Дегенмен, антеннаның дизайны RFEH жүйесінде маңызды компонент ретінде қарастырылмайды. Кейбір әдебиеттер антеннаның өткізу қабілеті мен тиімділігін жалпы перспективадан немесе шағын немесе тозуға болатын антенналар сияқты арнайы антенна дизайны тұрғысынан қарастырғанымен, кейбір антенна параметрлерінің қуат қабылдауға және түрлендіру тиімділігіне әсері егжей-тегжейлі талданбайды.
Бұл құжат RFEH және WPT арнайы антеннаны жобалау қиындықтарын стандартты байланыс антеннасының дизайнынан ажырату мақсатында тіктенналардағы антеннаны жобалау әдістерін қарастырады. Антенналар екі аспектіден салыстырылады: кедергілер арасындағы сәйкестік және радиациялық сипаттамалар; әрбір жағдайда FoM заманауи (SoA) антенналарда анықталады және қаралады.
2. Өткізу қабілеті және сәйкестігі: 50Ω емес RF желілері
50Ω сипаттамалық кедергі микротолқынды инженерлік қолданбалардағы әлсіреу мен қуат арасындағы ымыраға ертерек қарау болып табылады. Антенналарда кедергінің өткізу қабілеттілігі шағылысқан қуат 10% (S11< − 10 дБ) аз болатын жиілік диапазоны ретінде анықталады. Төмен шу күшейткіштері (LNA), қуат күшейткіштері және детекторлар әдетте 50 Ом кіріс кедергісі сәйкестігімен жасалғандықтан, дәстүрлі түрде 50 Ом көзіне сілтеме жасалады.
Ректеннада антеннаның шығысы түзеткішке тікелей беріледі, ал диодтың сызықты еместігі сыйымдылық құрамдас бөлігі басым болатын кіріс кедергісінің үлкен өзгеруін тудырады. 50Ω антеннаны болжайтын болсақ, негізгі мәселе кіріс кедергісін қызығушылық жиілігіндегі түзеткіштің кедергісіне түрлендіру және оны белгілі бір қуат деңгейіне оңтайландыру үшін қосымша РЖ сәйкестік желісін жобалау болып табылады. Бұл жағдайда RF-ді тұрақты токқа тиімді түрлендіруді қамтамасыз ету үшін кедергілердің өткізу қабілеттілігі қажет. Сондықтан, антенналар мерзімді элементтерді немесе өзін-өзі толықтыратын геометрияны пайдалана отырып, теориялық шексіз немесе ультра кең өткізу қабілеттілігіне қол жеткізе алатынына қарамастан, тіктеннаның өткізу қабілеттілігі түзеткіштің сәйкестік желісі арқылы қиын болады.
Шағылысуларды азайту және антенна мен түзеткіш арасындағы қуат беруді барынша арттыру арқылы бір жолақты және көп диапазонды жинауға немесе WPT-ке қол жеткізу үшін бірнеше тіктенна топологиялары ұсынылды. 2-суретте кедергілерге сәйкес архитектурасы бойынша санатталған есептелген тіктенна топологияларының құрылымдары көрсетілген. 2-кестеде әр санат үшін соңғы өткізу қабілеттілігіне (бұл жағдайда, FoM) қатысты жоғары өнімді ректенналардың мысалдары көрсетілген.
2-сурет Өткізу қабілеті мен кедергінің сәйкестігі тұрғысынан Rectenna топологиялары. (a) Стандартты антеннасы бар бір жолақты тіктенна. (b) бір түзеткіш және әр диапазонға сәйкес желі бар көпжолақты тіктенна (бір-бірімен байланыстырылған бірнеше антенналардан тұрады). (c) Бірнеше RF порттары және әр жолақ үшін бөлек сәйкес желілері бар кең жолақты тіктенна. (d) кең жолақты антеннасы және кең жолақты сәйкестік желісі бар кең жолақты тіктенна. (e) Түзеткішке тікелей сәйкес келетін электрлік шағын антеннаны пайдаланатын бір жолақты тіктенна. (f) түзеткішпен конъюгацияланатын күрделі кедергісі бар бір жолақты, электрлік үлкен антенна. (g) Жиілік диапазонында түзеткішпен конъюгацияланатын күрделі кедергісі бар кең жолақты тіктенна.
Арнайы арнадан алынған WPT және қоршаған RFEH әртүрлі ректенна қолданбалары болғанымен, антенна, түзеткіш және жүктеме арасындағы сәйкестікке жету өткізу қабілеттілігі тұрғысынан жоғары қуатты түрлендіру тиімділігіне (PCE) жету үшін негізгі болып табылады. Дегенмен, WPT тіктенналары белгілі бір қуат деңгейлерінде (a, e және f топологиялары) бір жолақты PCE жақсарту үшін жоғары сапа факторларының сәйкестігіне (төменгі S11) қол жеткізуге көбірек көңіл бөледі. Бір жолақты WPT кең өткізу қабілеттілігі жүйені анықтауға, өндірістік ақауларға және орау паразиттеріне қарсы иммунитетті жақсартады. Екінші жағынан, RFEH тіктенналары көп диапазонды жұмысқа басымдық береді және bd және g топологияларына жатады, өйткені бір жолақтың қуат спектрлік тығыздығы (PSD) әдетте төменірек.
3. Тік бұрышты антеннаның дизайны
1. Бір жиілікті ректенна
Бір жиілікті тіктеннаның антенна дизайны (А топологиясы) негізінен стандартты антенна дизайнына негізделген, мысалы, сызықтық поляризация (LP) немесе айналмалы поляризация (CP) жердегі жазықтықтағы сәулелену патч, диполь антеннасы және төңкерілген F антенна. Дифференциалды жолақ тіктеннасы бірнеше антенна қондырғыларымен конфигурацияланған тұрақты ток комбинациясының массивіне немесе бірнеше патч бірліктерінің аралас тұрақты және жиілік қосындысына негізделген.
Ұсынылған антенналардың көпшілігі бір жиілікті антенналар болып табылатындықтан және бір жиілікті WPT талаптарына сәйкес келетіндіктен, қоршаған ортадағы көп жиілікті RFEH іздеген кезде, бірнеше бір жиілікті антенналар өзара ілінісуі бар көп жолақты ректенналарға (топология В) біріктіріледі және оларды РЖ алу және түрлендіру тізбегінен толығымен оқшаулау үшін қуатты басқару тізбегінен кейін тәуелсіз тұрақты ток комбинациясы. Бұл әр жолақ үшін бірнеше қуатты басқару схемаларын қажет етеді, бұл күшейткіш түрлендіргіштің тиімділігін төмендетуі мүмкін, себебі бір жолақтың тұрақты ток қуаты төмен.
2. Көп жолақты және кең жолақты RFEH антенналары
Экологиялық RFEH жиі көп диапазонды алумен байланысты; сондықтан стандартты антенна конструкцияларының өткізу қабілетін жақсартудың әртүрлі әдістері және қос жолақты немесе жолақты антенна массивтерін қалыптастыру әдістері ұсынылды. Бұл бөлімде біз RFEH үшін пайдаланушы антенна конструкцияларын, сондай-ақ тіктенналар ретінде пайдалану мүмкіндігі бар классикалық көп жолақты антенналарды қарастырамыз.
Салыстырмалы толқын өткізгіш (CPW) монополды антенналары бірдей жиіліктегі микрожолақты патч антенналарға қарағанда аз аумақты алып, LP немесе CP толқындарын шығарады және жиі кең жолақты қоршаған орта тіктенналары үшін пайдаланылады. Шағылысатын жазықтықтар оқшаулауды арттыру және кірісті жақсарту үшін пайдаланылады, нәтижесінде патч антенналарына ұқсас сәулелену үлгілері пайда болады. Саңылаулы компланарлы толқын өткізгіш антенналар 1,8–2,7 ГГц немесе 1–3 ГГц сияқты бірнеше жиілік диапазондары үшін кедергі өткізу жолағын жақсарту үшін пайдаланылады. Қосылған ұяшық антенналары мен патч антенналары да көп диапазонды тіктенна конструкцияларында жиі пайдаланылады. 3-суретте өткізу қабілеттілігін арттырудың бірнеше әдістерін пайдаланатын бірнеше хабарланған көп жолақты антенналар көрсетілген.
3-сурет
Антенна-түзеткіш кедергінің сәйкестігі
50Ω антеннаны сызықты емес түзеткішпен сәйкестендіру қиын, себебі оның кіріс кедергісі жиілікке байланысты айтарлықтай өзгереді. А және В топологияларында (2-сурет) ортақ сәйкестік желісі – біркелкі элементтерді пайдаланатын LC сәйкестігі; дегенмен салыстырмалы өткізу қабілеттілігі әдетте көптеген байланыс жолақтарынан төмен. Бір диапазонды түйреуіштерді сәйкестендіру әдетте 6 ГГц-тен төмен микротолқынды және миллиметрлік толқын жолақтарында қолданылады және хабарланған миллиметрлік толқынды ректенналардың өткізу қабілеттілігі өте тар, өйткені олардың PCE өткізу қабілеттілігі шығыс гармоникалық басу арқылы қиынға соғады, бұл оларды әсіресе бір диапазон үшін қолайлы етеді. 24 ГГц лицензияланбаған диапазондағы WPT қолданбалары.
C және D топологияларындағы тіктенналардың күрделі сәйкестік желілері бар. Кең жолақты сәйкестендіру үшін шығыс портында РЖ блогы/тұрақты ток қысқа тұйықталу (өткізу сүзгісі) немесе диод гармоникасының қайтару жолы ретінде тұрақты токты блоктайтын конденсаторы бар толық бөлінген желі сәйкестік желілері ұсынылды. Түзеткіш құрамдастарды коммерциялық электрондық дизайнды автоматтандыру құралдары арқылы синтездейтін баспа схемасы (ПХБ) аралық конденсаторлармен ауыстыруға болады. Басқа хабарланған кең жолақты ректенна сәйкестік желілері төменгі жиіліктерге сәйкестендіру үшін біріктірілген элементтерді және кірісте қысқа радиожиілік жасау үшін бөлінген элементтерді біріктіреді.
Көзі арқылы жүктемемен байқалатын кіріс кедергісін өзгерту (көзді тарту әдісі ретінде белгілі) 57% салыстырмалы өткізу қабілеттілігі (1,25–2,25 ГГц) және біріктірілген немесе бөлінген тізбектермен салыстырғанда 10% жоғары PCE бар кең жолақты түзеткішті жобалау үшін пайдаланылды. . Сәйкес келетін желілер әдетте бүкіл 50 Ом өткізу қабілеті бойынша антенналарды сәйкестендіру үшін жасалғанымен, әдебиетте кең жолақты антенналардың тар жолақты түзеткіштерге қосылғаны туралы есептер бар.
Гибридті біріктірілген элементтер мен үлестірілген элементтерді сәйкестендіру желілері C және D топологияларында кеңінен қолданылды, сериялық индукторлар мен конденсаторлар ең жиі қолданылатын кесек элементтер болып табылады. Олар стандартты микрожолақ желілеріне қарағанда дәлірек модельдеу мен жасауды қажет ететін интерцифрленген конденсаторлар сияқты күрделі құрылымдарды болдырмайды.
Түзеткіштің кіріс қуаты диодтың сызықты еместігіне байланысты кіріс кедергісіне әсер етеді. Сондықтан тіктенна белгілі бір кіріс қуат деңгейі мен жүктеме кедергісі үшін PCE максималды арттыруға арналған. Диодтар негізінен 3 ГГц-тен төмен жиіліктердегі сыйымдылық жоғары кедергісі болғандықтан, сәйкес желілерді жоққа шығаратын немесе жеңілдетілген сәйкестік тізбектерін азайтатын кең жолақты ректенналар Prf>0 дБм және 1 ГГц жоғары жиіліктерге бағытталған, өйткені диодтар төмен сыйымдылық кедергісіне ие және жақсы сәйкестендірілуі мүмкін. антеннаға, осылайша кірісі бар антенналардың дизайнын болдырмайды реактивтіліктер >1000Ω.
Бейімделетін немесе қайта конфигурацияланатын импеданс сәйкестігі CMOS ректенналарында байқалды, мұнда сәйкес желі микросхемадағы конденсаторлар банктері мен индукторлардан тұрады. Статикалық CMOS сәйкестік желілері стандартты 50Ω антенналар үшін, сондай-ақ бірлесіп жобаланған циклдік антенналар үшін ұсынылды. Пассивті CMOS қуат детекторлары антеннаның шығысын әртүрлі түзеткіштерге және қолда бар қуатқа байланысты сәйкес желілерге бағыттайтын қосқыштарды басқару үшін қолданылады деп хабарлады. Біріктірілген реттелетін конденсаторларды пайдаланатын қайта конфигурацияланатын сәйкестік желісі ұсынылды, ол векторлық желі анализаторы арқылы кіріс кедергісін өлшеу кезінде дәл баптау арқылы реттеледі. Қайта конфигурацияланатын микрожолақты сәйкестік желілерінде қос жолақты сипаттамаларға қол жеткізу үшін сәйкес келетін түйреуіштерді реттеу үшін далалық әсерлі транзисторлық қосқыштар пайдаланылды.
Антенналар туралы көбірек білу үшін мына сайтқа кіріңіз:
Жіберу уақыты: 09 тамыз 2024 ж
